清华大学李亚栋&王定胜J. Am. Chem. Soc.：通过聚合物包覆单（混合）金属氧化物的核-壳方案制备金属单原子材料

【引言】

由于金属单原子材料具有独特的催化性能，近年来已成为新的研究热点。随着催化领域的快速发展，研究人员已提出多种制备金属单原子材料的方法，包括原子层沉积（ALD）法、湿浸渍法、共沉淀法和光沉积法等。因此，各种负载型金属单原子催化剂，包括贵金属Au，Pt，Pd，Ir和Ru，非贵金属Fe，Co和Ni已被证明具有良好的催化性能。然而，开发能够使金属单原子材料实现广泛应用的先进合成方法依旧迫在眉睫。

【成果简介】

近日，清华大学李亚栋院士和王定胜教授(共同通讯作者)等人在J. Am. Chem. Soc.上发表了一篇名为“Metal (Hydr)oxides@Polymer Core–Shell Strategy to Metal Single-Atom Materials”的文章。研究人员采用一种新的通过制备核-壳结构的方法来合成单原子材料。该方法先将聚合物涂覆在金属氢氧化物或氧化物上，进行高温热解和酸浸，使得金属单原子固定在中空氮掺杂碳（CN）材料的内壁上。通过改变金属前驱体或聚合物的种类，研究人员证明了：分散在CN材料（SA-M / CN，M = Fe，Co，Ni，Mn，FeCo，FeNi等）上的不同金属单原子成功合成。同时验证了在苯羟基化到苯酚时，所获得的SA-Fe / CN比Fe纳米颗粒 / CN具有更高的催化活性（45% vs 5%苯转化率）。第一性原理计算进一步表明，材料的高反应活性是由于在单Fe位点上更容易形成活性氧。该成果为制备各种金属单原子材料类新型催化剂提供了更简单的方法。

【图文导读】

图1 SA-Fe / CN（单原子铁/N掺杂碳材料）的合成过程示意图

图2 SA-Fe / CN的形貌表征

图3 SA-Fe / CN的结构及组成成分分析

分析证明，Fe原子分散在SA-Fe / CN上。中心原子Fe的配位数约为4，Fe-N / C的平均键长为2.04。在SA-Fe / CN中，Fe原子与4个N原子配位。

图4 SA-M/ CN的AC HAADF-STEM图像（M代表一种或两种金属元素）

单个原子用黄色圆圈突出显示。

图5 各类材料的催化活性对比及SA-Fe / CN与Fe / CN的催化活性机理比较

【小结】

研究人员开发了一种新的核-壳方法来制备稳定的SA-M / CN材料。材料用于苯直接羟基化到苯酚时，SA-Fe / CN催化剂表现出45%的高转化率和94%的选择性，比Fe纳米颗粒/ CN（仅5％转化率）高得多。这项工作表明，新型SA-M / CN材料可以通过这种有效途径制备，可能在有机反应或能量转换中有广泛的应用。此外，该制备方法还能进一步应用到其他单原子金属元素的制备中，从而实现催化领域的进一步发展。

文献链接：Metal (Hydr)oxides@Polymer Core–Shell Strategy to Metal Single-Atom Materials(J. Am. Chem. Soc.,2017,DIO:10.1021/jacs.7b05372)

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